Le patch cardiache stampate in 3D promettono la guarigione dei cuori danneggiati
Gli scaffold esagonali inducono proprietà contrattili e la maturazione iPSC-CM. Caratterizzazione iPSC-CM prima della combinazione con lo scaffold, mostrando A) cellule proliferanti, B) strutture sarcomeriche, C) Connexin 43 (Cx43) e D) localizzazione mitocondriale. iPSC-CMs si localizzano su entrambi gli scaffali E) esagonale e F) a fibra rettangolare, e la microscopia confocale mostra l’espressione di G, H) Cx43, e l’aumento dell’allungamento della densità del sarcomero, I, J) e K) negli scaffold esagonali rispetto agli scaffold rettangolari. L) Frequenza di battitura ai giorni 2, 7, 10, 11 e 14. M) Espressione genica del marker cardiaco e della maturazione in scaffalature esagonali e rettangolari al giorno 7 e al giorno 14.
Dopo che una persona soffre di infarto, perde circa la metà delle cellule nel suo cuore, indebolendo notevolmente l’organo e aumentando le probabilità che si verifichino ulteriori attacchi. I medici hanno iniziato a iniettare cellule nel cuore per crescere in muscoli e aiutare le contrazioni, ma il 99% di quelle cellule viene lavato via. Ma ci sono approcci alternativi – come la stampa 3D. Gli scienziati hanno sviluppato patch cardiache stampate in 3D che possono essere utilizzate per riparare i cuori danneggiati da attacchi di cuore, ma solo circa cinque sono stati prodotti in tutto il mondo.
Iniettabilità e posizionamento in vivo del cerotto cardiaco con geometria esagonale. A) Coltura in vitro del cerotto cardiaco costituita da iPSC-CM in ECM di tipo cardiaco su grandi scaffold esagonali. B) Immagine macro iniettabile in vitro, recupero della forma e C) macro del cerotto cardiaco dopo l’iniezione. D) Applicazione e recupero della forma del cerotto cardiaco sul battito del cuore porcino. E) Vitalità cellulare dei cerotti cardiaci iniettati in vitro F, G) non iniettati e H, I). J) Frequenza di battitura spontanea dei cerotti cardiaci iniettati e non iniettati in vitro 30 min e 2 d dopo l’iniezione.
In un nuovo studio dal titolo ” Melt Electrowriting consente la progettazione microstrutturale e meccanica su misura delle impalcature per favorire la formazione funzionale del tessuto miocardico umano “, un gruppo di ricercatori ha stampato un impalcatura in microfibra estensibile al mondo con un design esagonale. Hanno poi aggiunto cellule staminali specializzate denominate iPS-Cardiomyocytes, che hanno iniziato a contrarsi non stimolate sul patibolo. Il lavoro è stato poi dimostrato sul cuore reale dei maiali.
Abbiamo parlato con gli autori del documento per saperne di più sulla tecnologia utilizzata dagli scienziati e le sue implicazioni per il futuro.
Quali sono i vantaggi di MEW rispetto ad altre tecnologie?
“Melt Electrospin Writing (MEW) presenta diversi vantaggi rispetto ad altre tecnologie di stampa 3D per applicazioni di ingegneria dei tessuti. MEW utilizza termoplastici comuni utilizzati nell’ingegneria biomedica, tra cui Polycaprolactone (PCL). Il vantaggio di questo approccio è che siamo in grado di creare microfibre con diametri spesso nella gamma da 10 micron, ma anche le nano-fibre sono anche realizzabili. Per mettere questo in prospettiva, una singola ciocca di capelli è di circa 50-100 micron. La stampa a tali risoluzioni ci consente di imitare i componenti della matrice extracellulare nativa (ECM) e consente alle cellule di legarsi alle piccole fibre che assomigliano alle fibrille di collagene. Inoltre, MEW consente il controllo sull’architettura degli scaffold, creando scaffold con fibre allineate e diametri delle fibre controllati. Questo controllo specifico sull’architettura, ci consente di personalizzare le proprietà meccaniche, dirigere la crescita delle cellule e controllare il movimento dei nutrienti. Poiché siamo in grado di modificare le proprietà degli scaffold così bene, sono spesso usati per rinforzare gli idrogel (come una spina dorsale), che sono in genere molto più deboli e meno personalizzabili. ”
Qual è il significato del tuo articolo?
Rappresentazione del flusso di lavoro e degli scaffold fabbricati in microfibra. A) Illustrazione schematica del dispositivo MEW costruito internamente. B) Microstruttura esagonale progettata. C) Impalcatura in fibra 3D combinata con iPSC-CM e ulteriore applicazione in vivo attraverso la somministrazione minimamente invasiva. D) Immagini ottiche degli scaffold fabbricati: dettaglio della microstruttura con celle esagonali (con una lunghezza laterale di 400 μm) composta da più microfibre allineate impilate. Immagini acquisite dalla prospettiva superiore e laterale.
“Abbiamo sviluppato patch con strutture micro-fibra esagonali controllate che avevano proprietà uniche di flessibilità e di recupero della forma, il che significa che il cerotto può essere fortemente deformato senza subire danni alla sua struttura o alle sue cellule. Inoltre, tali nuovi percorsi hanno permesso la maturazione di cardiomiociti derivati da iPSC umani contrattili, che è un passo avanti nella creazione di una patch funzionale che potrebbe corrispondere a un cuore adulto. Infine, grazie alla flessibilità del cerotto, può essere compresso e spinto attraverso un catetere per la consegna in vivo con chirurgia laparoscopica minimamente invasiva. ”
Perché gli idrogel a base di collagene sono così importanti?
“Il collagene è la proteina più abbondante nel tessuto miocardico umano e per questo motivo un biomateriale ideale per l’ingegneria tissutale del miocardio.”
Quanto siamo vicini all’utilizzo della stampa 3D in ambito clinico?
“Ci sono già segnalazioni di impianti stampati in 3D utilizzati nelle cliniche, per la maggior parte metallici o in ceramica per la riparazione ossea. Tuttavia, per quanto riguarda le nostre patch cardiache che includono componenti di derivazione biologica (nuove terapie cellulari, iPSC) riteniamo che saranno necessari ancora alcuni anni. Dobbiamo prima dimostrare l’efficacia e la sicurezza di tale approccio nei modelli animali, che stiamo attualmente pianificando. Inoltre, sarà necessario risolvere sfide importanti come l’integrazione con i tessuti circostanti: ad esempio, attualmente i cerotti possono contrarsi autonomamente, ma non sappiamo se si sincronizzeranno con il battito del cuore una volta impiantati. ”
Che lavoro farai dopo?
“Vogliamo concentrare i nostri sforzi nella conduzione di studi sugli animali più estesi per valutare la fattibilità e mostrare effetti funzionali, come una migliore funzionalità cardiaca. Intendiamo anche rendere le patch più complesse, integrando altri tipi di celle nella patch. ”
Gli autori del documento comprendono Miguel Castilho, Alain van Mil, Malachy Maher, Corina HG Metz, Gernot Hochleitner, Jürgen Groll, Pieter A. Doevendans, Keita Ito, Joost PG Sluijter e Jos Malda.